Общие принципы проектирования сборных тоннельных обделок.
Основные требования, предъявляемые к сборным тоннельным обделкам.
Сборные тоннельные обделки должны обладать высокой прочностью, достаточной для того, чтобы успешно воспринимать все нагрузки и воздействия, возникающие в процессе строительства и эксплуатации тоннеля. В соответствии с требованиями нормативных документов, транспортные тоннели должны эксплуатироваться в течение ста лет после введения в эксплуатацию без проведения капитальных ремонтов и реконструкции, поэтому обделки тоннелей должны обладать достаточной для обеспечения этого срока долговечностью.
Одним из неблагоприятных факторов, усложняющих условия эксплуатации тоннеля и сокращающих межремонтные сроки, является обводнённость тоннеля. Для обеспечения благоприятных условий эксплуатации тоннеля, его обделка должна быть водонепроницаемой.
Особые требования предъявляются к тоннельным обделкам с точки зрения их огнестойкости. Обделка тоннеля не должна разрушаться под действием открытого огня и высоких температур, во всяком случае, в течение такого времени, которого будет достаточно для эвакуации людей из аварийного тоннеля.
Конструкция сборной тоннельной обделки должна быть экономичной, состоять из минимального числа типоразмеров элементов, удобно и безопасно монтируемых в кольцо.
1.2. Форма поперечного сечения сборных обделок тоннелей, сооружаемых щитовым способом.
Наибольшее распространение при сооружении тоннелей щитовым способом получили проходческие щиты с круговой формой поперечного сечения. Это объясняется более выгодными условиями статической работы несущей конструкции щита в условиях всестороннего его обжатия грунтовым массивом. Кроме того, круговая форма поперечного сечения проходческого щита позволяет применить исполнительный орган с достаточно простой кинематической схемой, что упрощает создание механизированных проходческих щитов. В связи с этим сборные обделки тоннелей, сооружаемых щитовым способом, как правило, имеют круговое очертание. Круговая форма поперечного сечения обделки позволяет обойтись при её конструировании минимальным числом типоразмеров элементов.
Общие принципы проектирования сборных тоннельных обделок.
Сборная обделка тоннеля представляет собой ряд последовательно установленных в
подземной выработке колец, которые, в свою очередь, состоят из отдельных элементов (рис. 1.1). Сборные элементы (сегменты) кольца обделки называются тюбингами или блоками.
Рис. 1.1. Сборная тоннельная обделка.
Как было указано выше, форма поперечного сечения сборной тоннельной обделки определяется, прежде всего, формой поперечного сечения проходческого щита, а размеры тоннеля зависят от его назначения. В транспортных тоннелях его внутренние размеры определяются габаритом приближения строений. Так, например, внутренний диаметр перегонного тоннеля метрополитена должен быть не менее 5,1 метра.
Отдельные элементы сборных тоннельных обделок изготавливаются в основном из железобетона или чугуна, крайне редко сборные обделки выполняются из сварных стальных элементов. Свойства этих материалов будут рассмотрены позднее при знакомстве с конкретными конструкциями сборных обделок. В некоторых случаях сборные обделки выполняют из композитных материалов (армометаллоблоки). Выбор материала для элементов сборной тоннельной обделки зависит в первую очередь от иженерно-геологических и гидрогеологических условий заложения тоннеля, разумеется, с учётом экономических факторов.
Кроме внутреннего диаметра тоннельной обделки (Dвн), определяемого назначением тоннеля, необходимо установить оптимальные размеры отдельных элементов её кольца, а именно: размер элемента вдоль оси тоннеля (b-ширина кольца обделки); центральный угол (α) элемента, определяющий его размер по дуге и толщину элемента (h). При назначении этих параметров сборной обделки следует руководствоваться следующими соображениями: чем больше размеры элементов, тем меньше швов между элементами обделки, а, следовательно, и меньше объём работ по их гидроизоляции; меньше операций по монтажу обделки; но вместе с тем вес каждого элемента возрастает, что требует применения более мощного монтажного оборудования; размеры элемента также увеличиваются, затрудняя условия их доставки и установки в кольцо обделки; возрастают значения изгибающих моментов в серединных сечениях элементов. Разумеется, что толщина элемента сборной обделки (правильнее называть этот размер «высотой сечения») уточняется в соответствии с результатами статических расчётов.
На начальном этапе проектирования все выше перечисленные параметры назначаются исходя из опыта проектирования аналогичных тоннелей. Высоту сечения элемента предварительно назначают, используя простые эмпирические формулы. Например:
h = kDвн , (1.1.)
где, k – коэффициент, учитывающий материал обделки и конструкцию продольного стыка (k = 0,02 – 0,065).